王義輝

一、概述

在理想的情況下,優質的電力供應應該提供具有正弦波形的電壓。但在實際中供電電壓的波形會由于某些原因而偏離正弦波形,即產生諧波。我們所說的供電系 統中的諧波是指一些頻率為基波頻率(在我國取工業用電頻率50Hz為基波頻率)整數倍的正弦波分量,又稱為高次諧波。在供電系統中,產生諧波的根本原因是 由于給具有非線性阻抗特性的電氣設備(又稱為非線性負荷)供電的結果。這些非線性負荷在工作時向電源反饋高次諧波,導致供電系統的電壓、電流波形畸變,使 電力質量變壞。因此,諧波是電力質量的重要指標之一。

諧波的危害表現為引起電氣沒備(電機、變壓器和電容器等)附加損耗和發熱:使同步發電機的額定輸出功率降低,轉矩降低,變壓器溫度升高,效率降低,絕緣加速老化,縮短使用壽命,甚至能降低繼電保護、控制、以及檢測裝置的工作精度和可靠性等。諧波注入電網后會使無功功率加大,功率因數降低,甚至有可能引發并聯或串聯諧振,損壞電氣設備以及干擾通信線路的正常工作。

供電系統中的諧波問題已引起各界的廣泛關注,為保證供電系統中所有的電氣,電子設備能在電磁兼容意義的基礎上進行正常、和諧的工作,必須采取有力的措施,抑制并防止電網中因諧波危害所造成的嚴重后果。

二、諧波產生的原因

在電力的生產、傳輸、轉換和使用的各個環節中都會產生諧波。

在發電環節,當對發電機的結構和接線采取一些措施后,可以認為發電機供給的是具有基波頻率的正弦波形的電壓。

在其他幾個環節中,諧波的產生主要是來自下列具有非線性特性的電氣設備:(1)具有鐵磁飽和特性的鐵芯沒備,如:變壓器、電抗器等;(2)以具有強烈非線性特性的電弧為工作介質的設備,如:氣體放電燈、交流弧焊機、煉鋼電弧爐等;(3)以電力電子元件為基礎的開關電源設備,如:各種電力變流設備(整流器、逆變器、變頻器)、相控調速和調壓裝置,大容量的電力晶閘管可控開關設備等,它們大量的用于化工、電氣鐵道,冶金,礦山等工礦企業以及各式各樣的家用電器中。以上這些非線性電氣設備(或稱之為非線性負荷)的顯著的特點是它們從電網取用非正弦電流,也就是說,即使電源給這些負荷供給的是正弦波形的電壓, 但由于它們只有其電流不隨著電壓同步變化的非線性的電壓-電流特性,使得流過電網的電流是非正弦波形的,這種電流波形是由基波和與基波頻率成整數倍的諧波組成,即產生了諧波,使電網電壓嚴重失真,此外電網還必須向這類負荷產生的諧波提供額外的電能。

接入低壓供電系統的非線性設備產生的諧波電流可分為穩定的諧波和變化的諧波兩大類。所謂穩定的諧波電流是指由這種諧波的幅度不隨時間變化,如視頻顯示設備和測試儀表等產生的諧波,這類設備對電網來說表現為恒定的負載。由激光打印機、復印機、微波爐等產生的各次諧波的幅值隨時間變化,稱之為波動的諧波, 這類設備對電網來說是一個隨時間變化的負載。

隨著電力電子設備使用的不斷增加,同時這些設備產生的諧波又具有較大的振幅,所以目前它們是供電系統中的主要諧波源。

三、諧波的危害

以前由于接入供電系統的非線性設備較小,供電系統中引起的諧波電流也很小,所以對電力質量的影響不大。隨著電子技術的發展,使用大功率半導體開關器件 以及各類開關電源的產品,如電視機、空調器、節能燈、調光器、洗衣機、微波爐,信息技術設備等迅速涌入居民家庭,雖然每臺設備向電網注入的諧波電流不大, 但這些設備數量大、分布廣。有些家用電器如電視機、空調器等在使用時具有集中的特點,在某些時段會使注入到電網的諧波電流對公用電網造成的諧波問題特別突出,這不但使接入該電網的設備無法正常工作,甚至造成故障,而且還會使供電系統中性線承受的電流超載,影響供電系統的電力輸送。因此諧波問題得到各有關方面的高度重視。

供電系統中的諧波危害主要表現在以下幾個方面。

1.增加了發、輸、供和用電設備的附加損耗,使設備過熱,降低設備的效率和利用率。

由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數倍,高頻電流流過導體時,因集膚效應的作用,使導體對諧波電流的有效電阻增加,從而增加了設備的功率損耗、電能損耗,使導體的發熱嚴重。

2.影響繼電保護和自動裝置的工作和可靠性。

3.使測量和計量儀器的指示和計量不準確。

4.干擾通信系統的工作。

5.對用電設備亦有影響。

四、抑制供電系統諧波的一般對策

諧波問題是關系到供電系統的供電質量的一個重要問題,它不但與供電部門有關,而且還關系到廣大電力用戶和電器設備制造廠的切身利益。為減少供電系統的諧波問題,一般從管理上和技術措施上采取以下幾方面的對策:

1.貫徹執行有關諧波的國家標準,加強諧波管理。

2.增加換流裝置的相數。

3.增裝動態無功補償裝置,提高供電系統承受諧波的能力。

4.加裝濾波裝置(包括無源濾波和有源濾波裝置)。

總之,一方面要嚴格限制諧波的發射水平。另一方面還要設法提高設備自身的抗諧波干擾的能力,改善諧波保護性能,以做到真正意義上的電磁兼容。□

(編輯/穆楊)